Question:
Comment faire fondre des métaux avec des points de fusion très élevés?
Griffin
2014-09-23 19:16:59 UTC
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À la foire de la Renaissance, il y a quelques années, je regardais un forgeron forger du métal en formes. Pendant ce temps, une question très étrange m'est venue. Je me demandais de quoi était fait le four. Ma logique disait que quel que soit le matériau dont était fait le four, il devait avoir un point de fusion plus élevé que les matériaux qu'il fondait. Cela s'est rapidement transformé en une course aux armements élémentaires entraînant une étrange question de savoir comment faire fondre des matières comme les métaux réfractaires (plus précisément celui avec le point de fusion le plus élevé) afin que nous puissions faire fondre d'autres choses à l'intérieur.

Maintenant, je sais que (pour une raison étrange, je ne comprends pas) le refroidissement rapide peut manipuler la force d'un objet. Existe-t-il une propriété similaire pour manipuler le point de fusion?

Remarque: Ma meilleure hypothèse actuelle (comme on peut le faire pour rendre les armes plus dures) est que nous prenons deux éléments, les fondons, et le composé résultant a un point de fusion plus élevé.

Le niveau de réaction positive à cela ne me fait pas seulement me sentir stupide pour ma question, mais me donne un sentiment flou à l'intérieur. Merci.
Le récipient contenant le métal n'a pas besoin d'être aussi chaud que le métal lui-même si vous avez un autre moyen d'introduire de l'énergie dans le métal. Certains métaux réfractaires peuvent être vaporisés à partir de conteneurs refroidis en dirigeant des faisceaux d'électrons ou d'autres sources d'énergie dans le métal (pas pour la fusion à grande échelle mais souvent utilisés dans les processus de synthèse ou de dépôt en phase vapeur).
Cinq réponses:
#1
+82
ron
2014-09-23 22:32:54 UTC
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Le point de fusion du tungstène de 3422 ° C est le plus élevé de tous les métaux et juste derrière le carbone (3550 ° C) parmi les éléments. C'est pourquoi le tungstène est utilisé dans les buses de fusée et les revêtements de réacteurs. Il existe des céramiques et alliages réfractaires qui ont des points de fusion plus élevés, notamment $ \ ce {Ta4HfC5} $ avec un point de fusion de 4215 ° C, le carbure d'hafnium à 3900 ° C et le carbure de tantale à 3800 ° C.

Le carbone ne peut pas être utilisé pour contenir du tungstène fondu car ils réagissent pour former du carbure de tungstène. Parfois, les poches et les creusets utilisés pour préparer ou transporter des matériaux à point de fusion élevé comme le tungstène sont garnis de diverses céramiques ou alliages à point de fusion plus élevé. Plus typiquement, le tungstène et d'autres matériaux réfractaires sont fabriqués à l'état non fondu. Un processus appelé métallurgie des poudres est utilisé. Ce processus utilise 4 étapes de base:

  • Fabrication de poudre - une variété de techniques sont disponibles pour générer de petites particules du matériau à travailler
  • mélange de poudre - des procédures de routine sont utilisées pour mélanger les particules constitutives en un mélange uniforme
  • compactage - la poudre mélangée est placée dans un moule et soumise à un frittage à haute pression
  • - le matériau compacté est soumis à une température élevée et à un certain niveau de liaison se produit entre les particules.
Des matériaux comme le tungstène peuvent également être façonnés par usinage électrochimique (ECM) ou par électroérosion (EDM).
Le Ta4HfC5 n'est pas techniquement un alliage. C'est une céramique (un mélange de carbures de tantale et d'hafnium). Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux ou alliages. Les alliages ont généralement des points de fusion inférieurs à ceux des métaux utilisés pour les former.
#2
+49
WannabeCoder
2014-09-24 00:00:31 UTC
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Désolé, je ne peux pas commenter ici, mais je voulais répondre plus directement à votre question.

Les forgerons évitent de faire fondre leurs forges car la "chaleur" qui peut fondre ou oxyder le fer et l'acier est en fait contenue dans une boule au centre du charbon. En fait, le maintien de la «structure» du charbon est une compétence importante en forge.

Pour mieux clarifier, imaginez un creux au centre d'un tas de charbon. C'est là que les températures dépassent 2000F, car la chaleur se reflète sur elle-même en raison du moulage du charbon en une sorte de boule réfractaire.

Et oui, parfois votre balle s'effondre, ou vous mal structuré - et vous remarquez que le couvercle de drain en fonte qui protège votre entrée d'air a fondu.

Il y a un analogue intéressant à cela dans les réacteurs à fusion modernes. Par exemple, dans [JET] (https://en.wikipedia.org/wiki/Joint_European_Torus), un mince anneau de plasma plus chaud que le noyau de notre soleil (et en fait tout ce qui est connu dans notre galaxie) est maintenu en place par lévitation. Alors que l'anneau lui-même est suffisamment chaud pour détruire tout matériau qu'il touche, la diminution du rayonnement thermique (iirc en raison de la loi de Planck et de la loi de Stefan-Boltzmann) leur permet d'utiliser des panneaux de graphite surfondu pour protéger le réacteur, en restant bien dans les 3550 ° C point de fusion du carbone.
#3
+21
Dave Langstaff
2015-03-23 14:44:23 UTC
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Nous utilisons un four à lévitation pour chauffer des échantillons de céramiques réfractaires jusqu'à environ 3000 $ ~ ^ \ circ \ mathrm {C} $. C'est à des fins de recherche, donc les échantillons sont de petites perles (2 mm). Ceux-ci sont équilibrés sur un jet d'argon et chauffés avec des lasers $ \ ce {CO2} $.

Voici un article qui parle de la technique:
D. Langstaff, M. Gunn, G. N. Greaves, A. Marsing et F. Kargl, Rev. Sci. Instrum. ; 2013 , 84 , 124901. ( Miroir)

#4
+12
Peter Smythe
2015-03-15 01:19:26 UTC
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On pourrait les faire fondre en flottant sur une piscine de métal plus dense à point d'ébullition élevé, ou dans un espace où ils peuvent être facilement contenus. Ou on pourrait créer une coque épaisse et refroidie activement et la faire fondre à l'intérieur, fondant également une partie de la coque. Enfin, ce n'est probablement pas très pratique, mais on pourrait utiliser un jet d'air pour les maintenir ensuite en suspension à l'écart d'autres matières et les faire fondre avec des lasers ou de l'air surchauffé.

#5
+9
matt_black
2016-05-27 01:29:24 UTC
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Il existe deux alternatives aux autres réponses ici, même si elles peuvent être utilisées à grande échelle est discutable.

La première consiste à utiliser un refroidi activement récipient pour contenir le métal et une méthode pour obtenir de l'énergie dans le métal non basée sur la chaleur du creuset. De nombreuses réactions métal-vapeur (utilisées pour la recherche en chimie à petite échelle) le font et fournissent suffisamment d'énergie pour vaporiser même les métaux réfractaires à l'aide de canons à électrons. Voir le site de Malcolm Green (et cette entrée "La synthèse des premiers composés zérovalents du métal de transition réfractaire précoce via le développement de l'expérience de synthèse de vapeur de métal par canon à électrons").

L'autre méthode consiste à utiliser le chauffage inductif du métal. Cela peut parfois fonctionner même sans récipient, car une bobine inductive appropriée lévitera le morceau de métal et les courants de Foucault induits y déverseront suffisamment d'énergie pour le faire fondre. Il existe de nombreuses vidéos youtube sur ce sujet avec des métaux non réfractaires comme l'aluminium, mais le principe devrait toujours fonctionner pour les métaux à point de fusion élevé.



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